国内外地铁环境振动探讨

国内外地铁环境振动探讨

刘建武

广州大学土木工程学院广东广州510006

摘要：为改善日益拥堵的城市交通问题，地铁以充分利用城市空间资源和低碳环保的优势在各大城市得到大力推广，但给人们带来了诸多便利的同时也诱发了环境振动等问题，减振成为地铁建设中必需采取的技术措施。

关键词：减振措施；现场实测；地铁振动；减振措施

引言

地铁环境振动实测及减振措施效果，主要从地铁振动实测、地铁振动数值分析、地铁常用减振措施这几方面来阐述当前国内外的研究现状。

1研究背景、目的及意义

目前，中国已成为世界上城市轨道交通发展最迅速的国家。我国地铁经过50多年的发展，截至2016年12月底，我国有41个城市193条线路（含续建段）正在紧张建设中，总里程超过4700km，在政府的大力支持下今后会有更多城市拥有地铁[1]。地铁不会像汽车那样占用地面的空间资源也不会排放尾气污染空气，可以有效缓解地面空间不足带来的压力而且更加环保，地铁通过运输乘客可以有效缓解城市地面交通的拥堵现象，例如广州这样的特大城市，如果没有地铁，广州这座历史悠久的城市交通状况将会混乱不堪，广州也就不可能成为交通如此发达却井然有序的现代化大都市，地铁已成为不可或缺的运输工具。

地铁虽然给我们生活带来诸多便利，但同时也带来一些环境问题，如振动和噪声就尤为突出[2]。地铁引发的环境振动不会对人体造成直接的身体损害，但它的确会影响到我们的生活，噪声过大会影响车厢内乘客的舒适度，振动过大会影响到行车安全，还会对建筑物、精密仪器本身造成破坏影响美观甚至使用功能。捷克一些砖石结构的古教堂就因轨道交通引起的振动产生裂缝，最终引发倒塌事件，此外布拉格等地也发生了该类事件，广州三元宫古建筑受地铁线路列车经过影响出现墙体严重开裂，如图1-1所示，像这样地铁引发工程结构破坏的案例在国内外多有发生[3，4]。

近年来，地铁引发的振动已经成为主要污染源[5]。国际上已将振动列为影响环境的不安因素，可见振动对环境的影响有多大。各国政府、高校的科研工作者对此引起高度重视，采取了各种减振措施降低地铁引发的振动，减振部位涉及枕下、道床（浮置板）下、轨下和钢轨，取得了一定的研究成果。

但是必须注意到，轨道减振是一个既综合又复杂的系统性问题，受到地质状况、轨道结构形式、车辆种类等多种影响因素的制约。现有轨道结构模型基本都是将扣件简化成弹簧阻尼单元，这样做会忽略扣件自身的振动特性。同一区间段同时运用两种或多种减振措施的研究还比较少，更加经济、有效、施工方便的减振措施也有待进一步研究。除此之外，目前研究尚处于小规模阶段，只进行两三种减振措施的研究，本课题研究从广度上进行延申，增加减振措施的种类，能了解到更多种减振措施的减振效果，建立扣件用实体单元模拟的轨道结构模型，对现有减振措施进行组合研究，同时开发一种新的减振措施，可以深入研究地铁现有减振工程实例，反馈设计效果，对后续同类工程的开展大有裨益。

2地铁振动实测研究

通过现场实测是最有效、最直接评价减振措施效果的途径，国内外学者对地铁振动实测进行过大量研究。

日本的Okwnura和Kuno[6]对实测数据进行回归分析发现影响振动的因素主要有车型、列车长度、距中心线的距离、车速、轨道的结构和背景振动。丹麦的Jakobsen[7]对列车引发地面和周围建筑物内部的振动进行了现场振源测试，得出振动在不同土质类型下随距离的衰减规律。Saurenman[8]等通过对弹性短轨枕轨道结构进行现场测试得出其减振性能没有预期的好，建议对更软的枕下垫层性能进行检测。此外西班牙、捷克、荷兰等国也在轨道交通引发环境振动方面进行了大量的现场测试、调查和研究。

宗刚[9]等通过对地面道路车辆和地铁引发的地表振动响应进行实测，探讨了采用道路交通振动预测相应地铁振动衰减规律的有效性和适用性。闫维明[10]等对某地铁3处典型路段的地铁运营诱发振动进行了实测，得出垂直分量振动幅度显著高于水平分量，不同地质条件对地铁运营诱发振动的传播影响较大，并根据实测数据提出了预测地铁运营引起环境振动的统计回归公式。Li等人对列车诱发的振动进行现场测量，研究列车速度地面振动的影响，得出列车速度对地面垂直振动有显著影响，但其对地面水平振动的影响较低。Cui等人通过现场实测数据研究了环境振动传播规律，提出了地面垂直振动的经验公式，还得出垂直振动比水平振动高，近轨道附近主要是高频振动。Fang等人对城市交通引起的环境振动进行现场测试，并从时域分析了振动的衰减，表明环境振动以竖向振动为主，横向和垂直方向的环境振动随着距离的增加而逐渐减小。李克飞等对北京地铁5号线进行现场测试与分析得出Ⅲ型轨道减振器扣件相对普通扣件有10～15dB的减振效果，钢弹簧浮置板轨道相对普通扣件有15～25dB减振效果。余志杭对广州地铁1号线进行现场测试发现振动在地面传播过程中存在振动放大区。皇甫婵媛[]对广州地铁三号线进行现场测试时发现加速度随着距地铁中心线距离的增加呈先减小后增大再减小的趋势。

综上所述，地铁引发的振动问题依旧是近期研究的热点。然而轨道减振是一个复杂的系统性问题，涉及到地质条件、轨道结构、车辆系统及建筑物结构等多方面影响因素，因此，已取得的实测研究成果具有自身的局限性。

3地铁振动数值分析

对轨道交通引起的环境振动问题国外重视的比较早，从1980年起到现在已经对数值模型有了一定研究。Metrikine和Vrouwenvelder通过建立移动荷载作用在埋于二维弹性层的Eider梁平面模型来反应地铁列车引起的地面振动，模拟出频域-波数域内模型的振动响应。Hussein和Hunt通过对比连续和不连续浮置板轨道模型的振动频率特性，发现板的共振频率处不连续的浮置板振动较大，隔振方面浮置板轨道具有良好的性能。

国内虽然地铁建成的时间比较晚，但在政府的大力投资建设基础设施下，地铁取得了飞速发展，再加上这几年人们环保意识的加强，国内众多学者也进行了地铁振动的数值分析研究。Ma等人通过建立地铁列车-轨道-隧道-土体三维有限元模型研究振动对建筑物的影响，还进行了详细的现场测量，试验结果表明，安装钢弹簧浮板轨道和降低列车速度对地面振动有明显的影响。Chao等人提出了地铁车站振动和噪声预测模型，并进行了验证，研究发现，垂直振动明显大于地面和测试线附近的水平振动。张祎对地铁运营下环境振动实测数据进行分析，得到振动波在土中的传播规律，并用ANSYS软件建立二维土-隧道模型与实测结果进行比较。刘雪锋通过进行不同扣件轨道结构的行车动力特性分析得出用弹簧阻尼单元代替扣件不能正确反应扣件自身的振动特性，然而现有研究最常用的方式就是将扣件简化成弹簧阻尼单元进行处理。文献通过建立轨道-隧道-土体三维模型，研究了振动在土中的振动传递特性和轨道减振措施的效果。

参考文献：

[1]中国城市轨道交通年度报告课题组.中国城市轨道交通年度报告[M].北京：北京交通大学出版社，2017：2-2.

[2]宋晶.地铁轨道结构的减振性能研究[D].同济大学，2008.

[3]李春峰，白冰，贺美德等.轨道交通引起的环境振动及其影响规律[J].市政技术，2006，11（4）：25-28，38.

[4]皮音培，叶茂，金晶，等.列车诱发环境振动在某古遗址内的应力分布规律研究[J].应用力学学报，2014（2）：224-229.

[5]曾向荣，高汉臣，陈鹏，等.城市轨道交通钢轨波磨成因的探讨[J].都市快轨交通，2011，24（3）：14-16.

[6]OkumuraY，KunoK.Statisticalanalysisoffielddataofrailwaynoiseandvibrationcollectedinanurbanarea[J].AppliedAcoustics，1991，33（4）：263-280.

[7]JakobsenJ.GroundVibrationfromRailTraffic[J].JournalofLowFrequencyNoiseVibration&ActiveControl，1987：96-103.

[8]SaurenmanH.In‐servicetestsoftheeffectivenessofvibrationcontrolmeasuresontheBARTrailtransitsystem[J].JournalofSound&Vibration，2006，293（3–5）：888-900.